CN111103122B - 一种保偏光纤分布式偏振耦合检测弱耦合点提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于保偏光纤分布式偏振耦合检测弱耦合点提取方法，步骤1：对作为输入信号的保偏光纤分布式偏振耦合检测信号做傅里叶变换；步骤2：对作为输入信号的分布式偏振耦合检测信号做变分模态分解，将输出K个本征模分别为u1、u2、…、ui、…uK，对输出的本征模分别做傅里叶变换，观察频谱；步骤3：从分解的本征模中，剔除噪声信号，重构输入信号；步骤4：计算重构信号的耦合强度；步骤5：通过耦合强度图判断是否有弱耦合点出现，直到在耦合强度计算图中出现弱耦合点。本发明能够提高偏振耦合检测原始信号的信噪比，达到降噪的目的，极大有助于提高测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域和光学干涉信号数据处理技术领域，特别涉及一种基于白光干涉法的保偏光纤分布式偏振耦合检测弱耦合点的提取方法。
背景技术
保偏光纤是一种特殊的单模光纤，能够保持沿其某一主轴传播的线偏振光的偏振态不发生变化，其广泛应用于温度测量、应力测量、光纤陀螺等领域。
由于保偏光纤结构的不完善和外部的扰动，会产生偏振耦合现象。即在扰动点处，光能量耦合到与其传播主轴正交的另一个主轴上，会降低保偏光纤的偏振保持能力，从而影响测量***的性能。
白光的光谱范围广、连续、相干长度短，只有光程差很小时，才会发生干涉。当光程差为零时，白光光谱内各个谱线双光束完全重合，各种波长光重叠，形成对比度最大的中央零级条纹，即最佳干涉位置，通过干涉现象实现对被测参量的测量。
常用的白光干涉仪有空间光迈克尔逊干涉仪和光纤式迈克尔逊干涉仪。通过迈克尔逊干涉仪的扫描臂扫描补偿光程差，实现对保偏光纤偏振耦合量的测量。扫描臂在扫描的过程中引入振动扰动，与外界的其他扰动一起，增大***的本底噪声。一些弱耦合点淹没在***的本底噪声中，使得保偏光纤偏振耦合的细节信息不能被获取。因此从本底噪声中提取弱耦合点，对于保偏光纤特征参数的高精度测量，具有十分重要的意义。
当前，已有若干种方法提出可实现对光学信号进行去噪，以提高被测参数的测量精度。如：公开号为CN102095538A的中国发明专利“保偏光纤应力传感的数据解调方法”，指出将采集到的光电压数据通过平均算法进行预处理，然后通过经验模态将光电压数据信号分解为多个本征模函数和一个余量；找出基底分量，实现对小耦合点的识别；又如申请号为201611096167.8的中国发明专利“一种周界预警光纤振动信号采集与去噪的方法”通过小波阈值去噪的方法对光纤振动信号进行去噪，消除其携带的冗余噪声信息，从而实现信号的特征提取与分类识别。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于保偏光纤分布式偏振耦合检测弱耦合点提取方法，通过变分模态分解将原始信号分解为若干个本征模，并提出噪声模态、选取有用模态进行信号重构，然后计算耦合强度，达到降噪的目的，实现对淹没在本底噪声中的弱耦合点进行提取。
本发明的一种用于保偏光纤分布式偏振耦合检测弱耦合点提取方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：对作为输入信号的保偏光纤分布式偏振耦合检测信号做傅里叶变换，基于输入信号频谱预估其模态个数K，并将保真度系数α设置为2000；
步骤2：对作为输入信号的分布式偏振耦合检测信号做变分模态分解，将输出K个本征模分别为u1、u2、…、ui、…uK，i表示本征模的序列号，其初始值设为2；对输出的本征模分别作傅里叶变换，观察频谱；
步骤3：从分解的本征模中，剔除噪声信号，重构输入信号，重构过程如下：
重构信号的公式为：
其中，ui表示第i个本征模；
步骤4：计算重构信号的耦合强度；
步骤5：通过耦合强度图判断是否有弱耦合点出现，如果有，则停止运算；如果无，则令i＝i+1，返回步骤3，直到有弱耦合点出现；当i＝K时，若仍没有弱耦合点出现时，则修改K和α的值，返回步骤2；直到在耦合强度计算图中出现弱耦合点，然后停止运算。
与现有技术相比，本发明所产生的积极技术效果是能够提高偏振耦合检测原始信号的信噪比，达到降噪的目的，极大有助于提高测量精度。
附图说明
图1为本发明的一种保偏光纤分布式偏振耦合检测弱耦合点提取方法整体流程图；
图2为保偏光纤分布式偏振耦合检测实验***图；
图3为分布式偏振耦合检测的原始干涉图样仿真图；
图4为分布式偏振耦合检测的原始耦合强度曲线示意图；
图5为加噪声后的干涉图样示意图；
图6为加噪声后的耦合强度曲线示意图；
图7为加噪后干涉图样的频谱图；
图8为变分模态分解后的本征模曲线图；
图9为重构信号的耦合强度曲线示意图；
附图标记：
1、光源，2、起偏器，3、保偏光纤，4、扩束准直透镜，5、检偏器，6、静止臂，7、扫描臂，8、分束棱镜，9、电机，10、迈克耳逊干涉仪
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
如图2所示，为基于白光干涉法的保偏光纤分布式偏振耦合检测实验***图。基于白光干涉法的保偏光纤分布式偏振耦合测量***可用于检测保偏光纤的偏振耦合现象，在干涉图样中产生耦合点。
SLD白光光源1发出的光经起偏器2后变为线偏光，该线偏光与保偏光纤3快轴对准，入射到保偏光纤3中；当有外力作用于保偏光纤3上的P点时，线偏光传输至外力作用处，会有偏振耦合现象发生，沿快轴传播的激发模态的部分能量串扰至慢轴，形成耦合模态；由于光纤模式双折射率Δnb的存在，激发模态和耦合模态在光纤出射端产生了一定的光程差ΔZ＝Δnbl，l为耦合点距光纤出射端的距离；经过扩束准直透镜4先进行扩束，再经检偏器5后，激发模态和耦合模态投影到检偏器5的透光轴上，然后入射到空间光迈克尔逊干涉仪10。分束棱镜8将光分为两束，一束射向静止臂6，另一束射向扫描臂7。步进电机9驱动迈克尔逊干涉仪10的扫描臂7扫描，实现光程差的补偿，产生干涉图样。扫描臂7在扫描的过程中引入振动噪声，与外界的其他扰动一起，增加***的本底噪声。光电探测器11将光信号转变为电信号，再由数据采集电路12进行信号采集，输入到计算机进行信号处理。一些弱耦合点淹没在***的本底噪声中，不能被检测到。
如图3所示，为典型分布式偏振耦合检测干涉图样仿真图，其耦合强度如图4的分布式偏振耦合检测的原始耦合强度曲线示意图所示。对应的本底噪声为-103dB。起偏器1与待测光纤入射端通过法兰连接，由于对轴不准导致耦合点产生，待测光纤的中间位置存在一个-82.6dB的弱耦合点。然而，扫描臂7在扫描的过程中会引入振动扰动，与外界的其他扰动一起，增加***的本底噪声。通过仿真，干涉图样中增加高斯白噪声和和低频振动扰动。如图5所示，为加噪声后的干涉图样示意图。如图6所示，为加噪声后的耦合强度曲线示意图。对应的本底噪声约为-79dB。图6中的弱耦合点淹没在***的本底噪声中，不能被观察到。下面用本发明的方法提取弱耦合点。首先对图5所示的加噪声后的干涉图样进行傅里叶变换，加噪后干涉图样的频谱图如图7所示。图7显示，有两个幅度相对较大的频率成分出现，因此可将模态个数K值设为2，保真度系数α值设为2000。再对输入信号做变分模态分解，输出如图8所示的变分模态分解后的本征模曲线图，有两个本征模u1和u2出现，u1的中心频率为100Hz，为低频振动扰动，u2的中心频率为384Hz，为干涉信号，可见干涉信号和噪声信号在空间上实现分离，没有发生模态混叠。然后将u1作为噪声剔除，u2作为重构的输入信号，基于u2计算耦合强度，如图9所示为重构信号的耦合强度曲线示意图。其本底噪声为-98dB，本底噪声与图6相比降低了19dB。弱耦合点出现，耦合强度为-82.8dB，与真实值-82.6dB相比下降了0.2dB，误差小于0.5％，实现了弱耦合点的高精度提取，效果显著。在本例中加噪信号被分解2个模态，但在其他场合信号有可能被分解为多个本征模，需要根据先验知识从多个本征模中剔除噪声信号，依据如图1所示的本发明的一种保偏光纤分布式偏振耦合检测弱耦合点提取方法整体流程图，重构输入信号。
如图1所示，为一种保偏光纤分布式偏振耦合检测弱耦合点提取方法整体流程图，具体包括以下步骤：
步骤1：对作为输入信号的保偏光纤分布式偏振耦合检测信号做傅里叶变换，基于输入信号频谱预估其模态个数K(K＝1、2…n，其中n为正整数)，并将保真度系数α设置为2000；
步骤2：对作为输入信号的分布式偏振耦合检测信号做变分模态分解，将输出K个本征模，K为所分解的本征模态的总个数，分别为u1、u2、…、ui、…uK，对输出的本征模分别做傅里叶变换，观察频谱；
步骤3：从分解的本征模中，剔除噪声信号，重构输入信号，重构过程如下：
重构信号的公式为：其中，ui表示第i个本征模；将i的初始值设为2；
步骤4：计算重构信号的耦合强度；
步骤5：通过耦合强度图判断是否有弱耦合点出现，如果有则停止运算；如果无，则令i＝i+1，i表示本征模的序列号，其初始值为2；然后返回步骤3，直到有弱耦合点出现；当i＝K时，K为所分解的本征模态的总个数，仍没有弱耦合点出现时，则修改K和α的值，返回步骤2；直到在耦合强度计算图中出现弱耦合点，然后停止运算。
原始实验数据经过上述5个步骤处理后，其信噪比将得到极大的提高，效果显著，实现了保偏光纤分布式偏振耦合检测弱耦合点的提取，极大的提高了测量精度。
Claims (1)
1.一种用于保偏光纤分布式偏振耦合检测弱耦合点提取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：对作为输入信号的保偏光纤分布式偏振耦合检测信号做傅里叶变换，基于输入信号频谱预估其模态个数K，并将保真度系数α设置为2000；
步骤2：对作为输入信号的分布式偏振耦合检测信号做变分模态分解，将输出K个本征模分别为u1、u2、…、ui、…uK，i表示本征模的序列号，其初始值设为2；对输出的本征模分别作傅里叶变换，观察频谱；
步骤3：从分解的本征模中，剔除噪声信号，重构输入信号，重构过程如下：重构信号的公式为：
其中，ui表示第i个本征模；
步骤4：计算重构信号的耦合强度；
步骤5：通过耦合强度图判断是否有弱耦合点出现，如果有，则停止运算；如果无，则令i＝i+1，返回步骤3，直到有弱耦合点出现；当i＝K时，若仍没有弱耦合点出现时，则修改K和α的值，返回步骤2；直到在耦合强度计算图中出现弱耦合点，然后停止运算。
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